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模数转换器

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模数转换器(ADC)是一种系统,其将一个模拟信号,例如声音拾取由一个麦克风或光进入数码相机,进一个数字信号。ADC还可以提供隔离的测量,例如将输入的模拟电压或电流转换为表示电压或电流的大小的数字的电子设备。通常,数字输出是二进制补码与输入成比例的二进制数,但还有其他可能性。

有几种模数转换器体系结构。由于复杂性和对精确匹配组件的需求,除了最专门的模数转换器之外,所有ADC都被实现为集成电路(IC)。这些通常采用金属氧化物半导体(MOS)混合信号集成电路芯片的形式,该芯片集成了模拟和数字电路

模数转换器

模数转换器将连续时间和连续幅度的模拟信号转换为离散时间和离散幅度的数字信号。转换涉及输入的量化,因此必然会引入少量的误差或噪声。此外,模数转换器不会连续执行转换,而是定期进行转换,对输入进行采样,从而限制了输入信号的允许带宽。

模数转换器的性能主要由其带宽和信噪比(SNR)来表征。模数转换器的带宽主要由其采样率表征。ADC的SNR受许多因素影响,包括分辨率,线性度和精度(量化级别与真实模拟信号的匹配程度),混叠和抖动。ADC的SNR通常以其有效位数(ENOB),它返回的每个度量的位数平均来表示,而不是噪声。理想的ADC的ENOB等于其分辨率。选择ADC以匹配要数字化的信号的带宽和所需的SNR。如果模数转换器的采样率大于信号带宽的两倍,那么根据Nyquist–Shannon采样定理,就可以实现完美的重构。量化误差的存在甚至限制了理想ADC的SNR。但是,如果ADC的SNR超过输入信号的SNR,则其影响可能会被忽略,从而导致模拟输入信号的本质上是完美的数字表示。

应用

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音乐录制

模数转换器是2000年代音乐再现技术和基于数字音频工作站的声音记录所不可或缺的。人们通常使用模拟记录在计算机上制作音乐,因此需要模数转换器来创建脉冲码调制(PCM)数据流,该数据流会进入光盘和数字音乐文件。当前用于音乐的模数转换器可以以高达192 kHz的速率采样。在这些问题上存在大量文献,但是商业考虑通常起着重要作用。许多录音棚采用24位/ 96 kHz(或更高)脉冲编码调制(PCM)或直接流数字录音(DSD)格式,然后对信号进行下采样或抽取,以进行光盘数字音频制作(44.1 kHz),对于常用的广播和电视广播应用,由于人类的奈奎斯特频率和听觉范围,将其降低到48 kHz 。

数字信号处理

要求ADC处理,存储或传输几乎任何数字形式的模拟信号。例如,电视调谐卡使用快速视频模数转换器。慢速片上8、10、12或16位模数转换器在微控制器中很常见。数字存储示波器需要非常快速的模数转换器,这对于软件定义的无线电及其新应用也至关重要。

科学仪器

数字成像系统通常使用模数转换器将 像素数字化。一些雷达系统通常使用模数转换器将信号强度转换为数字值,以进行后续信号处理。许多其他原位和遥感系统通常使用类似技术。所得数字化数值中的二进制位数反映了分辨率,xxx的离散量化级数(信号处理)。模拟信号和数字信号之间的对应关系取决于量化误差。量化过程必须以足够的速度进行,这可能会限制数字信号的分辨率。科学仪器中的许多传感器都会产生模拟信号。温度、压力、pH、光强度等。所有这些信号都可以放大并馈送到模数转换器,以产生与输入信号成比例的数字。

旋转编码器

某些非电子或仅部分电子的设备(例如旋转编码器)也可以视为模数转换器。通常,模数转换器的数字输出将是与输入成比例的二进制补码二进制数。编码器可能会输出格雷码。


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